變頻電源在銅冶煉除塵器中的應(yīng)用分析

黃傳宇

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江西銅業(yè)集團有限公司貴溪冶煉廠銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)，采用閃速熔煉工藝。隨著冶煉能力不斷提升， 生產(chǎn)過程中排放的含塵煙氣量超出電收塵器的原有設(shè)計能力，一系統(tǒng)閃速爐電收塵器和轉(zhuǎn)爐電收塵器出口含塵濃度都已大幅超過設(shè)計值， 接近甚至大于 2g/Nm3，導(dǎo)致大量煙塵后移至煙道沉降堆積和制酸系統(tǒng)，造成煙塵損失，增加了管道的阻力并影響制酸車間的凈化工序，增加了廢酸處理系統(tǒng)的負(fù)荷和硫化鈉的消耗量， 嚴(yán)重制約生產(chǎn)和增加生產(chǎn)成本。因此閃速爐電收塵器和轉(zhuǎn)爐電收塵器都亟需進行改造，降低出口煙氣含塵濃度。

在沒有長時間停產(chǎn)計劃的情況下，為了不影響生產(chǎn)，通過改造高壓供電電源提高閃速爐和轉(zhuǎn)爐電除塵器電場輸入電暈功率降低粉塵出口排放，無疑是最經(jīng)濟高效的改造技術(shù)方案，具有改造工期短、投資低、見效快等優(yōu)點。

2 高壓電源提效理論依據(jù)

電除塵器實質(zhì)是一臺采用不穩(wěn)定的電暈放電產(chǎn)生荷電離子體裝置，在內(nèi)部電場力作用下，帶電粉塵微粒向收塵極運動，再利用機械振打、聲波振蕩等物理手段去除收塵極上的粉塵，從而達到收塵目的。電暈放電產(chǎn)生的低溫等離子體在電除塵器內(nèi)部的時空分布方式和密度都會影響到進入的粉塵荷電狀態(tài)，進而影響到電除塵器除塵效率。根據(jù)除塵實驗結(jié)果，在大幅度提高電場場強和有效電暈情況下，粉塵捕集效率，特別是空氣動力學(xué)等效粒徑小于2.5μm（PM2.5）的粉塵，能大大提高。

根據(jù)除塵效率多依奇（Deutsch）公式［2］：

（1）式中：η為收塵效率，f為比集塵面積（m2/m3/s）， 為粉塵驅(qū)進速度。

從多依奇公式(1)可以看出，對于比收塵集極塵面積相同的電除塵器，驅(qū)進速度ω提高，收塵效率提高［3］。

粉塵驅(qū)進速度 的理論推算如下：

（2）式中： α為粉塵粒徑，E為粉塵所處的電場強度， μ為滯粘系數(shù)，K為系數(shù)。

從公式（2）可以看出，在粉塵特性不變的情況下，驅(qū)進速度與電場強度E2成正比，而電場場強E與高壓電源運行最高電壓施加的電壓均值和峰值成正比。電除塵器運行時，電場內(nèi)煙氣將在一定的電壓及內(nèi)、外條件下發(fā)生煙氣擊穿現(xiàn)象閃絡(luò)，這個擊穿電壓，即電除塵器電場能夠運行的最高電壓［4］。

從公式（1）和公式（2）可以看出，影響電除塵效率的因素主要有四個：比集塵面積、煙氣流速、粉塵特性和電場強度，對于除塵器本體未進行改造——除塵集塵面積不變，同時未改變冶煉工藝——煙氣流速及粉塵特性不變的情況下，高壓電源的運行電壓和運行電流越高使得電場強度越強，可以顯著提升除塵效率。

3 各種高壓電源對比

江銅貴溪冶煉廠內(nèi)電除塵器配套高壓電源采用的基本是工頻電源，考慮到工頻電源的工作效率較低，不能提供更大的電流密度，克制反電暈?zāi)芰θ?，無法御制電暈封閉。近年來，隨著電源技術(shù)的發(fā)展，電收塵器電源也出現(xiàn)了許多新技術(shù)，比如高頻電源、變頻電源等。而改造高壓電源可以在不停產(chǎn)的情況下，逐個電場進行改造，因此可以選用效率更好、性能更好的高壓電源。這些電源的技術(shù)性能詳見表1所示。

表1 各種高壓電源主要技術(shù)性能對比

電壓紋波系數(shù)低，除塵高壓電源施加的電場電壓均值與峰值基本一致，可大幅減少閃速爐和轉(zhuǎn)爐除塵器電場火花次數(shù)，實現(xiàn)穩(wěn)定均衡供電。與單相SCR電源相比，另外三種高壓電源均可實現(xiàn)低火花或無火花方式運行方式，能大幅提高電場強度，有利于提高除塵效率。

相比于三相SCR電源，變頻電源和高頻電源火花特性和能耗指標(biāo)上有明顯優(yōu)勢，應(yīng)作為技術(shù)改造的優(yōu)選方向。而變頻電源與高頻電源相比，除了控制柜與整流變壓器是分體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定外，其輸出頻率為100～1000Hz可調(diào)，最主要的特點是變頻調(diào)幅調(diào)壓可以根據(jù)電場的實際工況自動調(diào)整工作頻率來實線火花和拉弧的封鎖，實現(xiàn)電場無供電間歇的連續(xù)供電［5］，使電收塵器電場獲得最高的電暈功率和最佳的供電效果，從而提高收塵效率。

4 變頻電源供電特性分析

4.1 變頻電源全波供電特性

變頻電源可以提供接近純直流的電壓［6］，可提高電場場強，減少火花的產(chǎn)生，提高電場除塵效率。

工頻電源輸出電壓紋波系數(shù)一般在45%以下，變頻電源紋波系數(shù)3%以內(nèi)，變頻電源輸出電壓可接近于工頻電源峰值電壓。變頻電源純直流供電時輸出直流電壓比工頻電源平均電壓要高約30%，因為工頻電源峰值電壓在電除塵器電場中觸發(fā)火花，限制了加在電極上的平均電壓［7］，變頻電源與工頻電源電壓供電波形如下圖1所示。

圖1 變頻電源與工頻電源電壓供電波形

4.2 變頻電源火花控制特性

電除塵器不可避免的存在閃絡(luò)情況，我們希望電除塵器電源能有快速的閃絡(luò)響應(yīng)與閃絡(luò)后盡快的電壓恢復(fù)特性。變頻電源由IGBT組成全橋逆變器采用硬開關(guān)工作模式，可即時關(guān)斷火花，遠比工頻電源/三相電源過零點關(guān)斷（10ms）、高頻電源諧振周期后關(guān)斷（50μs）更快，閃絡(luò)控制可滿足閃絡(luò)爐和轉(zhuǎn)爐除塵器高火花率的運行要求。在高火花率的運行條件下，可實現(xiàn)快速關(guān)斷并在幾十毫秒內(nèi)快速恢復(fù)電場供電，電場電壓均值無明顯下降且無上沖的現(xiàn)象，能滿足冶煉煙氣電除塵器持續(xù)火花放電和短路沖擊的要求，防止陰陽極出現(xiàn)電蝕，提高電場運行壽命。

圖2 變頻電源火花波形

5 運行情況分析

5.1 貴溪冶煉廠熔煉車間FFEP技術(shù)參數(shù)

貴溪冶煉廠熔煉車間FFEP技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 閃速爐電除塵各類技術(shù)參數(shù)

5.2 閃速爐變頻電源與高頻電源、工頻電源運行對比

變頻電源比高頻電源、工頻電源在二次電壓及二次電流釋放有相對提升，對閃速爐粉塵煙氣的吸附和收塵率明顯有更強的適應(yīng)性，而閃速爐粉塵存在以下三個超標(biāo)數(shù)據(jù)：

（1）入口煙氣的濃度和煙氣量遠遠超出了本體設(shè)計值，入口濃度為40g/Nm3就已經(jīng)是高濃范圍，實際濃度（100g/Nm3）遠遠超過該值，導(dǎo)致有嚴(yán)重的電暈封閉現(xiàn)象；

（2）煙氣介質(zhì)存在大量高比電阻顆粒。大量高比電阻介質(zhì)御制了顆粒的核電，最嚴(yán)重的是加強了反電暈現(xiàn)象的發(fā)生；

（3）煙氣含有大量的金屬介質(zhì)可能造成陰極線鼓灰，御制電流的釋放，導(dǎo)致電流過低。

閃速爐電收塵電源改造過程中，在東二區(qū)和西二區(qū)試用了多類型的電源。期間根據(jù)現(xiàn)場工況對相關(guān)參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整［8］，取穩(wěn)定工況的二次數(shù)據(jù)對比，可以直觀判斷變頻電源與高頻電源整體運行效果良好。

表3 各類電源對比

從上表可以看出，變頻電源與高頻電源在閃速爐同一電場工況下，變頻電源與高頻電源二次電壓上差距較小，二次電流變頻電源略高于高頻電源，兩種電源均能很好的適應(yīng)閃速爐煙氣工況，且二次電壓、二次電流運行參數(shù)均大幅優(yōu)于工頻電源。

5.3 硫酸廢酸原液成分分析及改造后煙氣數(shù)據(jù)分析

熔煉一系統(tǒng)電收塵變頻電源改造后，收塵效率明顯提升，對后期制酸工序提供較好的工況，硫酸一系統(tǒng)廢酸原液中各元素濃度（Cl除外）、酸度、酸泥量都有不同程度的下降。分析數(shù)據(jù)表如表4。

變頻電源改造期間，對閃速爐變頻電源多個試用改進階段的粉塵濃度進行數(shù)次測試，在所有區(qū)域變頻改造完后，閃速爐電收塵出口煙塵檢測為539.78 mg/m3，相比改造前有了大幅度降低，但檢測時正好東一區(qū)、西二區(qū)在檢修，若電收塵電源全部正常運行，出口煙塵濃度降至500 mg/m3以下是沒有問題，具體時間段檢測數(shù)據(jù)如表5。

表4 FFEP電源投入運行數(shù)據(jù)對比

表5 FFEP煙氣自測數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

綜上所述，變頻電源電壓紋波系數(shù)低且閃絡(luò)關(guān)斷時間短、恢復(fù)時間快，可提高電場場強，提高除塵效率；電源效率和功率因數(shù)高，具有良好的自身節(jié)能特點；采用控制柜與變壓器分離的結(jié)構(gòu)型式，運行環(huán)境好穩(wěn)定性高且運行維護方便，更適應(yīng)于銅冶煉閃速爐和轉(zhuǎn)爐除塵器運行，值得在銅冶行業(yè)推廣應(yīng)用。